Введение к работе
Актуальность работы. Проблема изменения формы малых кристаллических тел при различных внешних воздействиях, а также вопрос о характерных.равновесных и стациояаршх формах микрокристаллов внимательно изучались исследователями на протяжении многих десятилетий. Новые возможности в экспериментальном изучении' этой темы открыло создание методик полевого электронного, а затем полевого ионного микроскопа. Уке первые эксперименты. проведенные Мюллером [11 и Бендаамином и Даеккинсом [2], показали, что вершина металлического острийного эмиттера испытывает значительные изменения Форш при воздействии на кез внешнего электрического поля,и температуры.
К настоящему времени накоплен и обобщен значительный теоретический и экспериментальный материал, посвящ8шшй проблеме тер-. мополевого изменения формы вершин эмиттеров-острий. Так было доказано, что при воздействии на острие" высоких температуры и поля за изменение формы его поверхности отвечает процесс поверхностной самодиффузии атомов, проявляющийся в росте (или растворений) кристалла, а направление изменения формы (затупление или заострение) определяется балансом действующих на поверхность растягивающих сил электрического поля и сжимающих сил поверхностного натяжения 3,41. В свете этого определивши интерес представляла возможность управлять процессом сзмодифїузии посредством варьи-' рования интенсивности внешнего воздействия, в результате чего программируемо изменять форму вершшш острия. ПроведЭнные в этом направлении эксперименты выявили насколько возможных стадий тер-мополввнх формоизменений вершины металлического острийного з?яіт-тера: перестройка, полная перестройка, микровыступы, макронароста (полевая эрозия). Перестроенные формы,- равновесные с точки зрения баланса действующих на поверхность сил,- были исследованы достаточно тщательно С51. Что касается стадии микровыступов, то хотя экспериментального материала,, посвящбнного их изучению, было собрано достаточно много (например, см.[63), он не всегда укладывался в рамки сложившихся представлений или, по крайней мере, требовал дополнительных ооъяснений. Гак, например, не было
.-4-
прямых доказательств реального существования микровыстугов в условиях, их порождающих. Это давало право на высказывание такого предположения, что образование мккровыступов происходит только при охлаждении острия. Кроме того, в отличие от перестроенных форм, для кикрозысгупов не было разработано адекватных подходов к понятхпо равновесной формы (с точки зрения баланса действующих на поверхность сил), а также оставалось неясным, могут ли такие равновесный микровиступы быть стабильными. Ранние теоретические изыскания предсказывали возможность достижения так называемых стационарных состояний, когда в качестве лимитирующего фактора изменения формы поверхности выступает непрерывное полевое испарение материала с вершин микровыступов, т.е. с участков, где напряженность електричэского шля максимальна [71. Однако, прямого экспериментального пэдтверздения этого предположения также не существовало. А в плане практического использования получение эшттера с одним или несколькими микровыступами в стационарном состоянии могло бы открыть путь к созданию новых точечных ионных источников тугоплавких металлов.
Цель работа. Изучить тенденции появления и исчезновения термололевых микровыступов, а также изменения их формы и локализации в зависимости от действующих значений поля и температуры. Для этого попытаться расширить на случай микровыступов развитые ранее для стадии перестройки представления, базирующиеся на рассмотрении конкуренции действующих на поверхность твердого тела сил электростатического поля и поверхностного натяжения. Далее, используя широкий набор полевых эмиссионных методов, выяснить (глазным образом на примере вольфрама и в меньшей степени молибдена) вопрос существования микровыступов в условиях высоких далей к температур в принципе, выяснить и уточнить проблему существования и получения равновесных мккровыступов, равно как изучить в деталях поведение стационарных испаряющих форм In attu и рассмотреть их свойствз в практическом аспекте ионных источни-
Научная новизна результатов заключается в следующем:
-
Впервые в прямом эксперименте в режиме полевого дессрбцконно-го микроскопа проведено наблюдение термополевых микровыступов из вольфрама и молибдена при высоких (1300-2300 К) температурах острия, в результата чего доказано их существование при указанных температурах и обнаружен сложный характер их поведения (дви-кекиэ по поверхности, появление, исчезновение).
-
Развита теоретическая концепция конкуренции действующих на поверхность растягивающих сил электрического юля и сжимающего поверхностного натяжения, рассматривающая состояния поверхности в координатах (давление, кривизна) и учитывающая полевое испарение. На этой основа создана новая модель, объясняющая процессы формоизменения вершины острия на стадии микровыступов в результате термополевого воздействия, и теоретически проанализированы возможные пути достижения стационарных и устойчивых равновесных форм термополевых микровыступов.
3_ Экспериментально показано следующее из выработанной модели существование устойчивых равновесных микровыступов и стационарных форм в виде как перестроенных острий (дня молибдена), так и с микровыступами (для вольфрама и молибдена). Проверены опытным путем вытекающие из модели тестовые процедуры, позволялдие различать равновесные и стационарные фермы микровыступов. Экспериментально обнаружено предсказанное моделью наличие разрешённых и запрещенных областей значений полевого множителя р, характеризующего кривизну поверхности данного острия, для перестроенных форм и микровыступов.
-
Экспериментально с использованием комплекса методов голєеой электронной, ионной и десорбционюй микроскопии получен равновесный термополевой микроБЫСтуд на Еолъфраггсвом острие и впервые определен коэффициент- поверхностного натяжения т для такого микровыступа. Тем самым, кроме того, была разработана новая методика определения у.
-
Основываясь ка разрвботанной модели, экспериментально решена практически важная задача создания единственного микровыступа, расположенного строго по оси острия, ориентированного по кристаллографическому направлению <111>.
-
На примере вольфрама впервые экспериментально показана воз-
' - 6 -
кожпость создания точечных ионных источников, действующих по принципу горячего полевого испарения материала эмиттера с микровыступов. Экспериментально определены ионннй ток с одного кикровыступа, ионный ток с острия, имеющего несколько микровыступов, оценена плотность ионных токов и эмиссионная яркость.
Научная и практическая значимость. В настоящей диссертации ' детально исследованы тенденции изменения форми вершины металлического острия на стадам микровыступов в зависимости от внешнего электрического поля и температуры. Полученные экспериментальные результаты подтверждают разработанную модель и расширяют представления о механизмах, ответственны! за термополавые формоизменения. Они также открывают возможности практического создания суперострых острий (которые могут использоваться как эффективные электронные катода или острия-зонды в СТЫ) и точечных узкоапер-турных источников ионов тугоплавких металлов.
Основные положения, вьшосшяде на защиту;
-
Модель изменения формы вэраины острия на стадии микровыстугов в результате, термополевого воздействия, разработанная на базе теоретической концепции конкуренции действующих на поверхность растягивающих сил электрического поля и скимаюцего поверхностного натяжения, рассматривающая состояния поверхности в координата;-: (давление, кривизна) и учитывающая полевое испарение.
-
Результаты экспериментов, прямо доказывающих существование устойчивых равновесных микровыступов и стационарных (обнаружива-хщкх полевое испарение) форм. Результаты впервые .проведённого экспериментального определения ксафівдивЕта поверхностного натя-кекия для раьксвеского вольфрамового микровыступа: у=-5(ХХі дкнУсм.
-
Решение практически важных задач создания острия с единственным, цуешзсл один ши несколько атомов на вершине, шкровысту-псм, расположенным строго.по оси острия и реализации на пр;імере вольфрама точечного исгпого источника, действущэго по принципу горячего полевого испарения материала эмиттера с микровыступов.
Апробация работы. Результати исследований, боиєдшііх в диссертацию, докладывались и обсуждались на Всесоюзной школе "Физика поверхности" (Ташкент, 1983), Всесоюзной школе по полевой эмиссионной микроскопии (Валдай, 1986), XX (Киев, 1987) и XXI (Ленинград, 1990) Всесоюзных конференциях по эмиссионной электронике, 7 Есесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва, 1988), межотраслевом совещании по полевой эмиссионной микроскопии (Харьков, I9S9), 8 Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990), 38 международном симпозиуме по эмиссиям в сильных полях (Вена, 1991).
По теме диссертации имеется 14 публикаций (5 статей и 9 тезисов докладов) и 2 изобретения.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырЗх глав и выводов и содеротт 139 страниц, в том числа 22 рисунка, 6 таблиц и список литературы, включающий ИЗ наименований.
